Imec presenta strumento di simulazione per una migliore previsione del flusso di calore nei componenti RF per 5G e 6G

Figura 1 - Resistenza termica misurata e prevista in funzione della larghezza delle lamelle di GaN-on-Si-HEMT con due lamelle. / Figure 1 - Resistenza termica misurata e prevista in funzione della larghezza delle lamelle di due GaN-on-Si HEMT a due dita.

Figura 2 - Geometria dell'InP nanoridge HBT utilizzato nella simulazione 3D.

Figura 3 - Impatto degli effetti di trasporto termico non diffuso (come rilevato dalla simulazione Monte Carlo di imec) negli HBT a nanoridge InP.

Questa settimana imec, centro di ricerca e innovazione leader a livello mondiale nel campo della nanoelettronica e delle tecnologie digitali, presenta all'International Electron Devices Meeting 2022 (IEEE IEDM 2022) un quadro di modellazione Monte Carlo-Boltzmann, che per la prima volta utilizza distribuzioni microscopiche di vettori di calore per prevedere il trasporto termico 3D in pacchetti HF avanzati destinati alla comunicazione wireless 5G e 6G. Studi di caso con GaN-HEMT (Transistor ad alta mobilità di elettroni) e InP-Heterojunction Bipolar Transistors (HBT) hanno evidenziato temperature di picco fino a tre volte superiori rispetto alle previsioni convenzionali basate sulle proprietà del materiale bulk. Il nuovo strumento di imec sarà molto utile per guidare l'ottimizzazione dei pacchetti HF di prossima generazione verso progetti termicamente migliorati.

I componenti basati su GaN e InP si sono dimostrati candidati interessanti per applicazioni di front-end di comunicazione mobile 5G a onde millimetriche e 6G a sub-THz, grazie alla loro elevata potenza di uscita e efficienza. Per ottimizzare e rendere più economici questi componenti per applicazioni HF, si presta grande attenzione alla scalabilità delle tecnologie III/V su piattaforma Si e alla loro compatibilità CMOS. Tuttavia, con la riduzione delle dimensioni e l’aumento delle prestazioni, il riscaldamento è diventato un problema importante per l’affidabilità, potenzialmente ostacolando ulteriori scalature dei pacchetti HF.

Nadine Collaert, direttrice del programma di tecnologia a radiofrequenza presso imec: "L’ottimizzazione del design dei pacchetti a base di GaN e InP per le massime prestazioni elettriche spesso peggiora le prestazioni termiche a frequenze operative elevate. Per esempio, nei pacchetti GaN su Si, abbiamo recentemente fatto enormi progressi in termini di prestazioni elettriche, raggiungendo per la prima volta un’efficienza e una potenza di uscita paragonabili a quelle di GaN su carburo di silicio (SiC). Tuttavia, un ulteriore aumento della frequenza operativa richiede la riduzione delle architetture esistenti. In queste strutture multistrato limitate, il trasporto di calore non è più diffuso, complicando le previsioni accurate del riscaldamento. Il nostro nuovo framework di simulazione, che mostra una buona corrispondenza con le nostre misure termiche di GaN su Si, ha evidenziato picchi di temperatura fino a tre volte superiori rispetto alle previsioni precedenti. Questo ci aiuterà a ottimizzare i layout di questi pacchetti HF nelle prime fasi di sviluppo, trovando il giusto equilibrio tra prestazioni elettriche e termiche."

Un’analisi simile si rivela molto preziosa anche per i nuovi InP-HBT, dove il framework di modellazione di imec evidenzia l’influenza fondamentale del trasporto non diffuso sul riscaldamento autogenerato in architetture complesse scalate. Per questi componenti, l’ingegneria dei nanoridge (NRE) rappresenta un approccio interessante per l’integrazione eterogenea dal punto di vista delle prestazioni elettriche. "Mentre le creste di ridge più giovani consentono una bassa densità di difetti all’interno dei materiali III-V, esse portano a un collo di bottiglia termico per il trasferimento di calore verso il substrato", spiega Bjorn Vermeersch, responsabile scientifico del team di modellazione e caratterizzazione termica presso imec. "Le nostre simulazioni Monte Carlo 3D di NRE-InP-HBT mostrano che la topologia del ridge aumenta la resistenza termica di oltre il 20% rispetto a una mesa monolitica ipotetica di uguale altezza. Le nostre analisi evidenziano anche l’influenza diretta del materiale del ridge (ad esempio InP vs InGaAs) sul riscaldamento autogenerato, offrendo un ulteriore spunto per migliorare termicamente i design."

Questi risultati sono stati presentati in due relazioni all’IEDM 2022, da Bjorn Vermeersch sulla modellazione termica e da Nadine Collaert sulle tecnologie GaN e InP per la prossima generazione di comunicazioni wireless ad alte prestazioni [documenti 11.5 e 15.3].